Život v budoucnosti Udržitelné technologie, které mohou zachránit naši budoucnost

Život v budoucnosti Udržitelné technologie, které mohou zachránit naši budoucnost Vzdělávací sada chemgeneration.com

Úvod Vážení čtenáři, pravděpodobně se také denně držíte konceptu udržitelného rozvoje, který je často zmiňován jako zásadní pro naše přežití i pro naši budoucnost, v níž budou hrát klíčovou roli příští generace. Ale pojem udržitelnosti a kroky, které můžeme my a svět dělat, jsou často nejasné i pro nás, pro dospělé. Cílem vzdělávacích materiálů Chemgeneration, které vydala společnost BASF, je komplexně představit metody udržitelnosti v jazyce mládeže, zejména pak vědecký vývoj, který může změnit budoucí města, spotřebu energie a naši výživu. Obecně řečeno: může ovlivnit každodenní život lidí. Tento vývoj se v budoucnosti bude jistě týkat i dnešních žáků a studentů, jelikož pro ně pravděpodobně bude nevyhnutelné, aby používali elektrická auta, žili v pasivních domech nebo využívali solární a větrnou energii. Věříme, že školy a učitelé mohou pro udržitelný rozvoj hodně udělat, pokud představí studentům udržitelnost jako hodnotu a vyvolají v nich zájem o vědu, která, spolu s inovacemi, může hrát rozhodující roli při zachování životního prostředí a udržitelného vývoje. Doufáme, že mladá generace bude dychtivá po vědecké kariéře a bude ve své profesi motivována k práci pro udržitelnost pomocí nejnovějších vědeckých nástrojů. Společnost BASF pro vzdělávání a udržitelnost Mottem společnosti BASF je We create chemistry for a sustainable future, tedy Tvoříme svět chemie pro udržitelnou budoucnost. To znamená, že BASF jako nedílná součást společnosti provozuje a rozvíjí inovace, přičemž má vždy na mysli zásady a pokyny udržitelného rozvoje. Během 150leté historie naší společnosti jsme učinili řadu technologických objevů, které prosazují udržitelný rozvoj: od inovativních materiálů umožňujících účinnější využívání zelené energie po moderní automobilové díly šetrné k životnímu prostředí. Věříme, že pomocí moderních vědeckých metod můžeme pro udržitelnost udělat mnoho. Jedním z našich cílů je zejména u mladší generace popularizovat koncept udržitelnosti a vědy, která v něm hraje důležitou roli, jelikož klíč k naší budoucnosti leží v našich rukách. Pro žáky a studenty jsme vytvořili několik programů, ve kterých mohou získat vlastní zkušenosti ze vzrušujícího světa vědy a seznámit se s významem chemie v rámci udržitelného rozvoje našeho světa. Přejeme Vám úspěšnou práci a mnoho studentů, v nichž se probudí zájem o vědu. We create chemistry Dětská laboratoř společnosti BASF Jedná se o interaktivní vzdělávací program, který je nabízen speciálně dětem od 6 do 12 let. Dává jim možnost objevit svět chemie prostřednictvím jednoduchých a bezpečných chemických pokusů, které mohou vzbudit jejich další zájem o vědu, zejména o chemii. 2

Vzdělávací webové stránky CHEMGENERATION.COM Hlavním cílem našich webových stránek, které provozujeme již čtyři roky, je vzbudit zájem o vědu a představit roli chemie v našem světě včetně jejích důležitých úkolů vztahujících se k budoucnosti lidstva a trvale udržitelnému rozvoji. Páteří obsahu jsou příběhy o zásadních chemických objevech, ale můžete zde najít také informace o vědeckých inovacích. Program CHEMGENERATION Na základě úspěchu webových stránek Chemgeneration jsme vytvořili roční programy, které motivují 14 až 18leté studenty středních škol k vědeckému myšlení a jednání. V roce 2012 jsme jim prostřednictvím on-line hry s názvem Future City představili vědecké technologie, které jsou nezbytnými součástmi moderního udržitelného města. V roce 2013 jsme pozvali studenty středních škol do soutěže s názvem Řetězová reakce, která prověřila a obohatila znalosti studentů z oblasti fyziky a chemie. Úkolem jednotlivých týmů bylo postavit samostatný stroj pro řetězovou reakci, který prováděl řadu fyzikálních a chemických reakcí. I v akademickém roce 2014/2015 studenty opět pozveme do fascinujícího světa vědy. Vědecká soutěž Hrdinové budoucnosti si klade za cíl nalézt budoucí mladé vynálezce, kteří jsou schopni tvůrčím způsobem používat vědecké inovace pro implementace řešení, která jsou šetrná k životnímu prostředí. Týmy středoškolských studentů musí provést vědeckou rešerši a vytvořit inovativní a udržitelné řešení, které může pomoci vyřešit vybraný problém v jejich místních komunitách. Tímto problémem může být například plýtvání energií ve škole nebo nadměrná produkce odpadu smysl soutěže spočívá v použití vědeckých metod při řešení daného problému. Nejlepší nápady mohou sloužit jako dobrý příklad, který inspiruje ostatní ke změně a k využívání udržitelných řešení. Příručka udržitelnosti Příručka představuje tři hlavní budoucí globální trendy a obsahuje devět bohatě ilustrovaných vědeckých článků, které ukazují, jak vztah udržitelnosti a vědy na globální úrovni nabízí odpovědi na největší výzvy dnešního světa, jako je například využívání energie nebo vody. Tyto texty představují studentům nejnovější výsledky výzkumů a inovací a poskytují mnoho zajímavých údajů, které vzbuzují zájem o tuto problematiku. Vědecké texty mohou sloužit také jako pomůcka pro učitele, jelikož obsahují nejnovější vědecké poznatky, o kterých možná ani neslyšeli. 3

Rychlý růst populace a měst jako výzva pro výzkum. Struktura měst se mění a metody jejich výstavby jsou stále ekologičtější. Kromě toho je důležité mít ve městech čistý vzduch a udržitelné hospodaření s vodou; věda již v těchto oblastech přišla s některými velmi zajímavými odpověďmi. Přečtěte si o nejmodernějších eko-městech, o fantastických metodách výstavby budoucnosti, o biologickém čištění vody nebo možnostech odsolování mořské vody. Přečtěte si také o důsledcích znečišťování ovzduší a jak proti němu bojovat s použitím nejnovějších technologií. 4

ŽIVOT VE MĚSTĚ 5

Budoucnost vody jak věda uhasí naši žízeň? Lidé a všechny živé bytosti potřebují k přežití vodu. Vodní zdroje naší planety vzhledem k růstu populace a změnám klimatu neustále klesají, zatímco zbývající část je stále více a více kontaminovaná. Tento článek odhaluje, jak se věda snaží zachovat čistou vodu. S Každá kapka je vzácná Voda je jednou z nejběžnějších látek na Zemi. Je natolik běžná, že téměř tři čtvrtiny planety, tedy 71 % jsou pokryty vodou Obrovskými vodními zdroji jsou oceány, moře, jezera a řeky. Severní a Jižní pól a ledovce rovněž obsahují vodu, ale ta je uzamčena v ledu.? J Jak je možné, že navzdory obrovským vodním zdrojům trpí lidé v mnoha částech světa nedostatkem = vody Odpověď je jednoznačná. Jen malou část, pouze 2,5 % vodních zdrojů Země, totiž tvoří sladká pitná voda. Většina sladké vody se navíc nachází ve zmrzlém stavu, jako stálá vrstva sněhu a ledu nebo vězí hluboko pod zemským povrchem mezi skalami, a je velmi těžké ji získat. Poptávka lidí po vodě však vzrůstá. Dnes musí být voda denně k dispozici 7 miliardám lidí: k pití, pro přípravu jídel i k mytí. Za několik desetiletí se ale bude muset o mnohem menší množství vody podělit 10 miliard lidí 6

Voda jako majetek Poslední výzkumy ukazují, že až 1 miliarda lidí v dnešní době trpí žízní A do roku 2050 bude voda na planetě stačit pouze pro polovinu lidstva. Bohaté a vyprahlé země Blízkého východu dovážejí pitnou vodu z kanadských a sibiřských jezer, což znamená, že tato voda prakticky objede celý svět, než se dostane k tomu, kdo ji vypije. Stejně tak i v Americe jsou velká města s miliony obyvatel zásobována vodou pocházející ze vzdálenosti několika stovek kilometrů. Obchodníci, kteří ve velkém měřítku skupují vodní zdroje v Rusku, Kanadě a na Aljašce, se stávají novými milionáři. T. Boone Pickens, největší vlastník vody v Americe, investoval $100 milionů do nákupu studní a pramenů. Do budoucna plánuje prodávat pitnou vodu do Texasu, a to za $165 milionů. Ale proč se dostupné vodní zdroje ztenčují? Na jednu stranu z důvodu klimatických změn, jelikož zvyšující se teplota Země má za následek extrémní počasí, častější sucha, zmenšující se plochu jezer a vyschlá povodí. Na druhou stranu se spotřeba vody u lidí, zejména těch, kteří žijí ve velkých městech, dramaticky zvyšuje. Na mnoha místech již spotřeba vody roste rychleji, než kolik mohou dostupné zdroje dodávat. Je zvláštní, že navzdory těmto děsivým faktům spotřeba vody pro pohodlí a luxus neklesá. Zavlažování golfových hřišť například vyžaduje denně tolik vody, kolik by za stejnou dobu spotřebovala polovina obyvatel Země. Celková vodní stopa (m 3 /rok/obyv.) Spotřeba vody se měří vodní stopou. Vodní stopa národní spotřeby je definována jako celkové množství sladké vody, které se použije k výrobě zboží a služeb spotřebovaných obyvateli národa. 7

! TIP Šetřete vodu tímto způsobem: Místo napouštění vany použijte sprchu! N osprchování trvající několik minut spotřebujete poloviční množství vody, než které byste potřebovali k naplnění vany. Při čištění zubů zavírejte vodovodní kohoutek, předejte zbytečným ztrátám vody! Pro zalévání pokojových rostlin nepoužívejte v dovodní vodu, ale využijte zachycenou dešťovou vodu! Vybavte doma sprchové hlavice a umyvadlové baterie spořičem vody! V domácnostech je většina vody vyplýtvána splachováním toalet. Používejte účinné, vícestupňové záchodové nádržky! Neumývejte nádobí pod tekoucí vodou, ale raději jej namočte. Tímto způsobem vám také půjde snadněji umýt! Biomimetika: napodobování divoké přírody Zvířata, která žijí v suchých místech, se dokázala daným okolnostem přizpůsobit. V Africe například žije jedinečný brouk, který díky drobným mikrovláknům na zádech zachytává do svého těla vodu z ranního vzdušného oparu. Toto chytré řešení inspirovalo vědce, kteří již pracují na samoplnicí láhvi, jež funguje na podobném principu: láhev je pokryta speciálním nanotechnologickým materiálem, který směruje vlhkost vzduchu dovnitř nádoby. Voda je klíčem k modernímu životu V důsledku rychlé urbanizace se zajišťování vody ve velkoměstech stává stále náročnějším. Bez vody by nebyly žádné místní podniky ani průmysl. Hašení požárů, městské parky a veřejné bazény to vše potřebuje spoustu vody.. Ve veřejných vodohospodářských systémech je zapotřebí řada trubek, kanálů a čerpacích stanic, aby naše kohoutky byly den co den spolehlivě zásobovány vodou. Do poptávkových tlaků se promítá růst populace a nárůst stravy náročné na vodu, část obyvatel navíc přechází ke stále vyšší spotřebě vody. Jelikož počet obyvatel neustále roste, je třeba nasytit stále více a více lidí. Je málo známo, že rostlinná a živočišná produkce je zodpovědná za většinu lidské spotřeby vody: zemědělství je odpovědné až za 80 % celkové spotřeby vody, což znamená, že se jedná o oblast, kde musí dojít k zásadnímu snížení spotřeby vody. Kolik vody je potřeba k výrobě vašeho oblíbeného jídla? 1 krajíc chleba = 48 litrů vody 1 jablko = 82 litrů vody 1 plátek sýra = 152 litrů vody 1 kousek pizzy = 1 216 litrů vody 1 hamburger = 2 393 litrů vody 1 šálek kávy = 132 litrů vody 1 tabulka čokolády = 1 720 litrů vody 1 kg hovězího = 15 415 litrů vody Z tohoto důvodu hledá řada výzkumných a pokrokových experimentů odpověď na to, jak produkovat dostatek potravin při použití menšího množství vody. Další podrobnosti o tomto tématu naleznete v našem článku Více jídla z méně vody. 8

Je mořská voda spasitelem lidstva? Moře a oceány jsou největší vodní zásobárnou na Zemi, a proto se lidstvo již dlouho snaží vytvořit ze slané vody vodu pitnou. Toho lze dosáhnout odsolováním. Jednoduchá destilace byla použita již ve 4. století před Kristem, ale složitý proces několikanásobného varu vody, chlazení a kondenzace vzniklých par vyžadoval velké množství energie. Ekonomičtější forma odsolování je založena na reverzní osmóze, ve které je mořská voda protlačována pod vysokým tlakem přes polopropustnou membránu, v důsledku čehož voda ztrácí sůl. Klíčovou roli při zvyšování účinnosti této operace hraje chemie. Ultrafiltrační membrány Multibore, vyvíjené dceřinou společností německé firmy BASF, již prokázaly svou účinnost v mnoha odsolovacích zařízeních. Membrána poskytuje bezpečnou bariéru pro nerozpuštěné látky, bakterie, viry a další mikroorganismy a dodává vysoce kvalitní filtrát, a to i v případech, kdy složení původní vody kolísá. Podle prognózy společnosti Global Water Intelligence (GWI), odborníka v oboru, bude v roce 2025 pomocí odsolování uspokojovat své potřeby vody až 14 % světové populace. Dnes je to pouze 1 %. V současné době existuje 17 000 odsolovacích stanic ve 120 zemích světa. Očekává se však, že počet těchto zařízení bude výrazně narůstat. Požehnání z nebe Projektanti budoucích velkoměst se shodují, že moderní megalopole musí různými způsoby recyklovat dešťovou vodu. Nejdelší tradici ve využívání dešťové vody pravděpodobně nalezneme v Jihovýchodní Asii. Slavný japonský mrakodrap Tokijský nebeský strom (Tokyo Skytree), který je vysoký 634 m a je druhou nejvyšší budovou světa, obsahuje v nižších úrovních suterénu obrovské nádrže, které dokáží pojmout kolem 2 600 metrů kubických dešťové vody. Toto chytré řešení přináší vodu zdarma nejen k ochlazování této obrovské budovy, ale i ke splachování toalet. A navíc, zelené střechy budované na městských budovách nevznikají pouze z estetických důvodů. Většina z nich představuje inovativní řešení pro nakládání s dešťovou vodou, které současně zlepšuje energetickou bilanci budovy, kvalitu ovzduší a městskou ekologii. Zelené střechy dokáží absorbovat a recyklovat dešťovou vodu, přičemž se některé polutanty akumulují v rostlinách. Intenzivní zelená střecha je schopna zadržet až 75 % srážek; tímto způsobem také snižuje odtok a množství dešťové vody, která jinak končí v kanalizaci.? Věděli jste, že V současné době se dešťová voda nejvíce využívá v Číně a Brazílii. V těchto zemích se dešťová voda z povrchu střech sbírá pro zajištění pitné vody, užitkové vody, vody pro hospodářská zvířata, malé závlahy a také jako způsob pro doplňování hladiny podzemní vody. 9

Inovativní čištění vody Vážné problémy způsobuje nejen nízká kvantita vody, ale i její nízká kvalita. Asi 2,5 miliardy miliardy lidí je nuceno spotřebovávat kontaminovanou vodu a má potíže s každodenním zásobováním čistou vodou. V celosvětovém měřítku je přímo do řek, jezer či moří bez předchozího čištění vypouštěno zhruba 80 % městských odpadních vod. Situace je obzvláště dramatická ve městech v nově vznikajících a v rozvojových zemích. Velmi znečištěné řeky jsou například v Buenos Aires, v indické Kalkatě se obyvatelé potýkají s fekálním znečištěním a zvýšenou koncentrací arzenu v podzemní vodě. Alarmující je také situace v Číně: ve městech je kontaminováno až 90 % podzemních vod. Velikou výzvou pro projektanty je vytvořit takové postupy, které by na jedné straně zajišťovaly nižší znečišťování vody a na druhé straně vyšší efektivitu čištění znečištěné vody. Německá chemická společnost BASF nabízí celou řadu řešení pro čištění vod hned v několika oblastech. Kationtovou emulzi Zetag lze využít k čištění odpadních vod z průmyslu a pro širokou řadu separací pevného a kapalného skupenství. Její vysoká molekulová hmotnost poskytuje vynikající technické vlastnosti, jež vedou ke snižování nákladů na čištění odpadních vod. Rychle působící tekutina se většinou využívá pro čištění odpadních vod z papírenského a textilního průmyslu, ze zpracování kůží, ale i z potravinářského průmyslu a pivovarů. Membrána Multibore vyvinutá jednou z dceřiných společností firmy BASF je také vhodná pro čištění odpadních vod, zejména pro filtraci. Voda je protlačována přes velmi malé, 20 nanometrové póry, které jsou 3 000 menší než tloušťka lidského vlasu. Jedná se o metodu, která podporuje zdraví a čistotu ve světě vskutku mikroskopických rozměrů. Po takové filtraci je vytvořena homogenní kapalina. Společnost BASF také vytvořila svoji revoluční ultrafiltrační membránu pro přenosný systém čištění vody LifeStraw Family, který je schopen čistit kontaminovanou vodu odfiltrováním virů a bakterií. Tímto způsobem lze rovněž čistit vodu ze špinavých louží, rybníků či řek. Tento systém byl od roku 2008 použit několikrát v oblastech přírodních katastrof, kde lidem v nouzi poskytoval pitnou vodu.? Věděli jste! TIP Umývání auta bez vody? Pro čištění odpadních vod se používají takzvané živoucí stroje. V těchto systémech neprovádějí rozklad znečišťujících látek pouze bakterie, ale také ekologické společenství 2-3 000 druhů organismů včetně řas, plžů, mlžů, krabů, rostlin a ryb. Tyto organismy spotřebovávají znečišťující látky jako potravu a začleňují je pro výstavbu svého těla. Na umytí jediného auta se vyplýtvá až 200 litrů vody. Již však existuje také mytí aut bez vody, kdy se používají jemné chemikálie či pára. Hledejte tato řešení úspory vody v každodenním životě! 10

Chemizmus vody Voda je univerzálním materiálem Voda je univerzálním materiálem: je to vynikající rozpouštědlo, většina důležitých procesů z hlediska života se odehrává ve vodném roztoku, a je to také častý reaktant. V mnoha ohledech se voda chová jinak: například maximální hustoty dosahuje při přibližně 4 C, což je důvodem, proč ledovce plavou na hladině a proč voda zamrzá od shora dolů. Její další zvláštností je viskozita či vnitřní tření, které se s tlakem nemění lineárně: nejprve klesá, potom roste. Viskozita vody je relativně velká a významně se snižuje s rostoucí teplotou.? Věděli jste Kde je nejsnazší plavat? Studená voda je viskóznější, takže je obtížnější se v ní pohybovat. Naopak jednodušší je plout po hladině, protože má vyšší hustotu. Jedinečnou vlastností vody je, že díky vysokému povrchovému napětí jsou kapky vody kulovité. Voda je schopná absorbovat, ukládat a uvolňovat velké množství tepla. Tato vlastnost se využívá i v průmyslu, je ale rovněž důležitá v přírodě s ohledem na úlohu vody týkající se vyrovnávání klimatu. Z chemického pohledu je destilovaná voda čistou formou vody, která neobsahuje rozpuštěné látky či stopové prvky, které jsou obsaženy v přírodních složkách minerálních vod. Konzumovat deionizovanou vodu (či vodu s nízkým obsahem iontů) ve velkém množství není zdravé, jelikož jsou pak z těla vyplavovány esenciální ionty. 11

Čistý vzduch za pomoci vědeckých metod Jedním z nejzávažnějších důsledků zvýšené urbanizace je znečištění ovzduší, které se stalo v posledních desetiletích opravdu znepokojující. Vědci pracují na různých metodách, jak pro obyvatele městských oblastí čistit vzduch, a podpořit tak udržitelný rozvoj neustále se rozrůstajících metropolí. Smog nad městy se stal trvalým jevem Většina lidských činností s sebou nese využívání energie a v důsledku toho i znečišťování ovzduší: elektrárny, průmyslová výroba, zemědělství, vytápění obytných domů a přeprava vypouštějí do ovzduší škodlivé látky, které mají dopad nejen na lidské zdraví, ale i na atmosféru naší planety. Takzvané skleníkové plyny, např. oxid uhličitý (CO 2 ) a metan (CH4), vytvářejí kolem Země jakýsi obal, který zachycuje teplo: teplo z odraženého slunečního záření nemůže atmosféru zcela opustit, což vede k oteplování a ke globálním klimatickým změnám. Oxid uhličitý je přítomen v zemské atmosféře při konstantní koncentraci. Množství oxidu uhličitého ve vzduchu je nyní udržováno dlouhodobě v rovnováze, ačkoli vždy dochází k určitým výkyvům. V důsledku lidské činnosti je tato rovnováha od počátku minulého století posunuta a vědci tvrdí, že množství oxidu uhličitého se nyní velmi blíží k hranici, odkud by již nebylo návratu. Za zpracování oxidu uhličitého, který se nachází ve vzduchu, odpovídají rostliny: využívají jej jako živinu a přeměňují jej na kyslík, který je životně důležitý pro přežití jiných živých tvorů, včetně lidí. Problémem však je, že pokrytí Země rostlinami se také neustále ztenčuje: 7 milionů hektarů je v důsledku růstu měst a produkce dřeva odlesňováno. To rovněž přispívá k nerovnováze.? Věděli jste I když jsou pralesy označovány jako plíce Země, většina kyslíku je produkována planktonem a vodními řasami, které žijí v oceánech. Na stav ovzduší má tedy významný vliv také znečišťování vod. Znečištění ovzduší nezpůsobuje jen environmentální zátěž, ale je též extrémně škodlivé pro lidské zdraví. Do ovzduší se dostává také řada dalších škodlivých látek, z nichž například výfukové plyny automobilů mohou způsobovat onemocnění. Je-li například ve vzduchu vysoká koncentrace oxidů dusíku (oxid dusný NO a oxid dusičitý NO 2 ), vzniká v důsledku slunečního záření ozón, který společně s uhlovodíky a pevnými částicemi vede k tvorbě losangeleského smogu nad městy. Podle odhadu Světové zdravotnické organizace (WHO) zemře v důsledku dopadů znečištění ovzduší ročně 700 tisíc lidí.? Věděli jste Za globální oteplování je odpovědný také dobytek: v útrobách přežvýkavců je ve velkém množství produkován metan, stejně jako u rozkladu rostlinných zbytků a živočišných výkalů. Produkce jednoho kilogramu hovězího masa přidá k celkovému objemu skleníkových plynů 36 kg oxidů uhličitého stejné množství znečištění vyprodukuje průměrné evropské auto na vzdálenost 250 km. 12

Mapa světové ekologické stopy ukazuje, že znečištění ovzduší je nejhorší nad hustě obydlenými oblastmi. Zdroj: http://environment.nationalgeographic.com/environment/ energy/great-energy-challenge/global-footprints/ Fakta a čísla 50 % - polovina lidstva je každý den vystavena nebezpečné úrovni znečištění ovzduší. Zdá se, že největším úkolem je snížení množství oxidu uhličitého, čehož je možné dosáhnout dvěma způsoby. Na jednu stranu můžeme významně snížit emise. To však v současné chvíli nevypadá příliš reálně: i když byla přijata důležitá opatření pro snižování používání fosilních energií a pro rozšíření využití alternativních energií, nejsou natolik dostačující, aby během několika let přinesla významnou změnu úrovně znečištění ovzduší. Druhým řešením je najít způsob využití oxidu uhličitého a jeho extrahování ze vzduchu. Tisíce vědců již na těchto řešeních pracují a nyní již se slibnými výsledky. 13

Zkrocení nepřítele Fakta a čísla Existují různé přístupy, jak využít oxid uhličitý: od malých procesů až po velká průmyslová řešení. Jen málo lidí si uvědomuje, že chemický průmysl již významná množství CO 2 zpracovává. To znamená, že oxid uhličitý produkovaný při průmyslové výrobě, zejména při spalování nebo při chemických reakcích, není uvolňován do vzduchu, ale po vyčištění se používá pro různé účely. Oxid uhličitý produkovaný v těchto procesech se používá k výrobě perlivých minerálních vod, ale také v technologii balení v modifikované atmosféře, při výrobě plastů, jako základní surovina umělých hnojiv, a dokonce i v lékařství. Více než 30 miliard metrických tun CO 2 vyprodukuje lidstvo každý rok. Oxid uhličitý jako zachránce zelené energie Ačkoli to může napoprvé znít poněkud zvláštně, může hrát CO 2, který je obvykle považován za škodlivý plyn, roli při zlepšování účinnosti obnovitelných zdrojů energie. V dnešní době někdy obnovitelné zdroje produkují více elektrické energie, než lze do sítě v daném okamžiku dodat. Uložení takto vyprodukované přebytečné energie je velice nákladné a někdy i nemožné. Nový chemický proces s názvem systém energie-do-plynu (power-to-glas, P2G), jehož jedním klíčovým prvkem je samotný skleníkový oxid uhličitý, může tento problém vyřešit. Pomocí fyzikálních a chemických procesů lze přebytek energie přeměnit ve dvoustupňovém procesu na zemní plyn (metan), kde je CO 2 použit jako reakční složka. V prvním kroku je přebytečná zelená elektřina použita jako energetický vstup pro přeměnu vody (H 2 O) na vodík (H 2 ) a kyslík (O2). Vodík poté reaguje s CO 2 za tvorby metanu (CH 4 ). CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O Jak je všeobecně známo, metan (hlavní složka svítiplynu) je dobrým úložištěm energie, lze jej snadno přivádět do stávající sítě zemního plynu a v případě potřeby může být použit. Tato metoda je tudíž ekonomickým způsobem ukládání zelené energie. 14

110 milionů z celosvětových emisí CO 2 se asi 110 milionů metrických tun v současné době využívá jako chemická surovina. Zdroj: Společnost pro chemické inženýrství a biotechnologii (DECHEMA) Podle posledních vědeckých výzkumů by recyklování uhlíku mohlo nejen zmírnit úroveň znečištění ovzduší, ale dokonce vyřešit krizi energetických zdrojů třemi potenciálními způsoby. Dobrý obchod: použití oxidu uhličitého pro přípravu paliva Oxid uhličitý lze použít k výrobě metanolu, který můžeme využívat jako palivo, a to pomocí tzv. uhlíkově neutrální metody. Islandská společnost otevřela svůj první závod, kde vyrábí metanol z CO 2 pomocí geotermální energie z horkých pramenů jako přírodních zdrojů energie. Společnost plánuje jednoho dne produkovat z oxidu uhličitého až 50 milionů litrů alkoholu ročně. Ten lze potom používat například k vytvoření energie v palivových článcích nebo může být přimíchán jako příměs do benzínu. Oxid uhličitý jako surovina pro syntetický plyn Dalším řešením je využití oxidu uhličitého jako paliva. Tři německé společnosti (BASF, Linde a ThyssenKrupp) nedávno zahájily projekt výroby syntetického plynu z oxidu uhličitého a vodíku v inovativním dvoustupňovém procesu. V prvním kroku zpracuje nová vysokoteplotní technologie zemní plyn za zisku vodíku a uhlíku. Ve srovnání s jinými procesy produkuje tato technologie méně CO 2. Vodík poté reaguje s velkým množstvím CO 2 (který pochází z jiných průmyslových procesů) a vzniká syntetický plyn. Tento plyn je klíčovou surovinou v chemickém průmyslu a je také vhodný pro výrobu paliv. Napodobování přírody: umělý list Mladý vědec Julian Melchiori přišel letos se senzačním vynálezem neutralizace oxidu uhličitého: pomocí hedvábí, zvláštního proteinu a látky, která se nachází v řasách, vytvořil umělý list, u nějž fotosyntéza probíhá stejným způsobem jako u skutečných rostlin. Stačí jen světlo a jeho vynález spustí přeměnu oxidu uhličitého z ovzduší na kyslík. Umělý list vypadá skutečně propracovaně a lze jej použít na pokrytí vnějších i vnitřních stěn budov. Tak by mohl neustále snižovat emise oxidu uhličitého ve městech. Vzhledem k tomu, že je umělý list vhodný také pro dlouhodobý život ve vesmíru, může hrát důležitou roli i při vesmírném výzkumu, jelikož vědci nevědí, zda by organické rostliny mimo naši atmosféru přežily a rostly způsobem, jaký by lidé potřebovali. A pokud by lidstvo kolonizovalo vesmír, byly by tyto rostliny schopny žít na jiné planetě a produkovat vlastní kyslík. Z tohoto důvodu se o tento vynález zajímá i NASA. 15

Čištění vzduchu ve velkých objemech Pro cílené čištění ovzduší nad velkými městy byla vytvořena jedinečná technická řešení. Tato řešení nás mohou zbavit dopadů nejen oxidu uhličitého, ale i jedovatých plynů. Německý vynálezce Götz Hüsken například přišel s nápadem potáhnout povrch vozovek oxidem titaničitým, který by při fotokatalytické reakci jako účinek UV záření ve slunečním světle rozložil oxid dusičitý znečišťující ovzduší. Při realizaci tohoto řešení by hladina oxidů dusíku v ovzduší mohla klesnout až o 45 %. Vynález nizozemského inovátora Daana Roosegaarda by nebe nad městy téměř doslova vysál. Tento vědec plánuje představit řadu parků, které budou skrývat množství měděných cívek, jež jako čističky vzduchu používají statickou elektřinou kladně nabitý povrch pro odsátí uhlíkových částeček z ovzduší. Pilotní projekt se spustí koncem tohoto roku. Očekává se vytvoření 40 m širokého otvoru čistého vzduchu, v němž bude zhruba o 75 % méně znečištění. Daan Roosegaarde má dokonce plány, jak se shromážděnými uhlíkovými sazemi naložit. Část chce zpracovat do formy umělých diamantů, což je alchymistický trik téměř stejně impozantní, jako vysávání smogu. Pokud bude jeho plán úspěšný, může Peking dosáhnout svého cíle a zbavit se smogu již do roku 2017. 16

Moderní vozidla = čistější vzduch Jelikož doprava zodpovídá za 30 % znečištění ovzduší, mohla by se kvalita vzduchu také zlepšit snížením emisí automobilů. Za tímto účelem bylo vytvořeno několik inovativních autodílů, včetně ekologicky šetrných katalytických konvertorů, které vyvinula společnost BASF a které se dnes úspěšně používají ve stovkách tisíc aut. Filtr nainstalovaný ve výfukovém systému se při provozu vyznačuje několikastupňovou chemickou reakcí. Během tohoto procesu jsou tři klíčové složky v emisním systému (uhlovodík, oxid uhelnatý a oxid dusičitý) téměř zcela převedeny na oxid uhličitý, dusík a vodu. Tato renomovaná chemická společnost vyvíjí katalytické konvertory také pro vozidla s naftovým motorem a pro motorky, které rovněž mohou pomoci při snižování koncentrace emisí. Nejnovějším řešením této společnosti zaměřeným na snižování znečišťování ovzduší je PremAir, patentovaný povlak katalyzátoru, který přeměňuje přízemní ozón, hlavní složku smogu, na kyslík. Tento proces využívá velkého množství vzduchu, které prochází chladičem vozidla. Znečišťování ovzduší způsobené vozidly lze také významně snížit, pokud přejdeme z fosilních paliv na paliva alternativní. Doposud jsou hlavními alternativami tradičních motorových vozidel elektrické a hybridní automobily vědci ale také postavili auta poháněná vodou (přesněji vodíkem z rozkladu vody) nebo stlačeným vzduchem. Chcete-li se dozvědět více informací o budoucnosti dopravy, přečtěte si náš článek s názvem Nové perspektivy v dopravě. Jelikož doprava zodpovídá za 30 % znečištění ovzduší, mohla by se kvalita vzduchu také zlepšit snížením emisí automobilů. 17

CHEMIE VZDUCHU Vzduch je mnohem složitější systém, než si myslíte: jeho hlavními složkami jsou dusík (78 %) a kyslík (21 %), obsahuje však také několik pevných i proměnlivých koncentrací plynných složek z rozličných přírodních i umělých zdrojů. Oxid siřičitý (SO2) může například pocházet z vulkanické činnosti, ale i z výfukových plynů a spalování uhlí. Spalování uhlí má vždy za následek vyšší koncentrace oxidu siřičitého v zimě, což následně vede ke zvýšenému počtu astmatických záchvatů. Vzduch vždy obsahuje vodní páry a kapky vody, v nichž se výše zmiňované plyny rozpouštějí, což způsobuje kyselé srážky. Pro (78 %) N + rozpustné plyny je ale také možná celá řada dalších reakcí. V chladnějších regionech mohou být ve vzduchu přítomny také malé ledové krystalky. Povrch ledových krystalků je vynikajícím katalyzátorem, který také podporuje rozklad ozónu. Mezi ostatními pevnými částicemi jsou partikulované částice (neusazující se), jež jsou pro zdraví nejvíce nebezpečné, tedy částice PM2,5, což znamená partikulované částice o průměru menším než 2,5 mikrometru. Ty jsou vdechovány do plic, čímž přenášejí do těla kovové a organické kontaminanty, které jsou vázané na jejich povrchu. (21 %) O2 + SO 2 18

19

Moderní města budoucnosti Prudký nárůst světové populace má za následek rostoucí počet měst a jejich plochy. Výpočty ukazují, že do roku 2050 bude 75 % populace žít ve velkých megalopolích. Tento očekávaný proces vyvolal mezi vědci diskuzi na téma vhodnosti měst k bydlení. Výzkumní pracovníci vyvíjejí nové technologie, které nám umožní v budoucnosti žít v inovativním a udržitelném městském prostředí, jež rovněž uspokojí sociální potřeby. Města z nového přístupu Máme sklon věřit, že továrny a průmyslové závody jsou odpovědné za znečištění životního prostředí a za rostoucí energetické požadavky, ale není tomu tak: za to jsou odpovědná velká města. Možná je to neuvěřitelné, ale na velká města připadají dvě třetiny z celkové světové spotřeby energie. Nejlidnatější město na světě je v současnosti Tokio, kde žije téměř 13 miliónů lidí, což je 10 % japonské populace. Tato skutečnost vás nepřekvapuje, že ne? Mezi hlavní otázky vědců patří, jaký vývoj by nám pomohl snížit energii používanou v těchto obrovských městech, a jaká metoda by mohla být použita, aby tato přeplněná místa byla více vhodná pro život? doposud pouze architektonickou podívanou a byly obdivovány pouze kvůli své výšce. Nová generace budov je ovšem jiná. Například obří mrakodrap Shard v Londýně není jen obchodní a administrativní budovou, která je v provozu pouze během dne, nýbrž jde o vertikální vesnici : jsou zde byty, restaurace a také hotel. Nejvyšší stavba světa, 828 m vysoký Burj Khalifa v Dubaji, nabízí ještě více: jsou zde byty, náměstí, parky, restaurace, hotely a obchody vše v jedné a té samé budově. Všechny formy společenské zábavy v jediné budově: chcete-li si vypít šálek kávy, nemusíte přecházet do jiné budovy do kavárny, stačí nastoupit do výtahu a přejet do jiného patra. Mnohá řešení leží v budovách. Obrovské mrakodrapy byly až Nejlidnatější město na světě je v současnosti Tokio, kde žije téměř 3 miliónů lidí, což je 10 % japonské populace. 20